Операции разделения 10 - 11

Рν – давление парового продукта (не относится к Хранилищу) Р1 – давление жидкого продуктового потока (потоков)

Рпит – давление потока питания (принимается равным наименьшему из давлений потоков питания)

∆Р – гидравлическое сопротивление емкости.

Объем сосуда вместе с уставкой уровня жидкости определяют количество удерживаемой жидкости. Эта величина определяется следующим образом:

Holdup =VesselVolume ×	PV (%Full)		(10.9)
	100

где Holdup – количество удерживаемой жидкости

VesselVolume – объем сосуда

PV(%Full) – уровень жидкости в емкости во время t По умолчанию объем сосуда принимается равным 2м3.

Объем сосуда необходимо задать в стационарном расчете при моделировании реактора (CSTR), поскольку он определяет время пребывания.

Идеальный и реальный сепаратор

Видеальном сепараторе происходит полное разделение жидких и паровой фаз.

Вреальных же сепараторах разделение не идеально: наблюдается процесс уноса фаз. В последнее время наблюдается увеличение использования специальных устройств, снижающих унос: проволочные пакеты и проч. (mesh pads, vane packs, weirs).

По умолчанию в программе ХАЙСИС используется идеальный сепаратор, но для моделирования реального разделения имеется возможность использовать следующие опции:

•Возможность учитывать унос с тем

•Возможность рассчитывать влияние диспергирования входного потока, условий этого потока, геометрии аппарата, а также отбойных устройств на входе и выходе на унос.

10.2.2 Специализированное окно операции Сепаратор

Добавить операцию в расчет можно следующим образом:

1В меню Схема выполните команду Добавить операцию (F12). Откроется окно выбора операции.

2Среди Групп операций выберите Емкости.

3Из списка имеющихся операций выберите Separator (Сепаратор) или 3 Phase Separator (3-фазный сепаратор).

4Нажмите кнопку Добавить. Откроется специализированное окно операции.

ИЛИ

1 В меню Схема выполните команду Касса объектов (F4).

Сепаратор

3-фазный Сепаратор

Хранилище

10 - 12 Операции разделения

2 Дважды щелкните по иконке Сепаратор/3-фазный сепаратор.

Откроется специализированное окно операции

Для переключения между операциями используйте селективные кнопки

10.2.3 Закладка Данные

На закладке расположены четыре страницы:

•Соединения

•Параметры

•Переменные пользователя

•Примечания

Страница Соединения

На странице Соединения задаются имена входных и выходных потоков, имя операции, пакет свойств.

Любая из операций разделения допускают несколько сырьевых потоков, а также, при необходимости, энергетический поток.

В зависимости от варианта подвода тепла страница Соединения может выглядеть по-разному, но некоторые поля должны быть заполнены обязательно:

•Имя операции

•Имена потоков питания

•Имя парового продукта

•Имя жидкого продукта (продуктов)

•Пакет свойств

•

Операции разделения 10 - 13

На следующем рисунке показана страница Соединения для трех операций:

Страница Параметры

На этой странице можно задать сопротивление емкости.

Для емкости задаются следующие параметры:

	Операция	Описание
	Объем сосуда	Задается пользователем
	Уровень жидкости	Задается пользователем в % от полного объема
	Объем жидкости	Не задается пользователем. Рассчитывается
		программой как произведение объема сосуда на долю
		жидкости.

10 - 14 Операции разделения

Подробнее см. Раздел

1.3.8 –

Закладка/страница Переменные пользователя.

Подробнее см. Раздел

1.3.5 –

Закладка/страница Примечания.

Страница Переменные пользователя

На этой странице пользователь имеет возможность задать свои собственные переменные.

Страница Примечания

На этой странице можно записать примечания относительно данного аппарата или всей задачи.

10.2.4 Закладка Реакции

На закладке Реакции расположена страница Результаты.

Страница Результаты (Results)

С любой из описываемых операций может быть связан набор реакций. Этот набор можно присоединить к операции, выбрав его из списка.

В поле статуса будет выведено сообщение о состоянии выбранного на данном этапе набора реакций.

Информацию о реакции и компонентах можно просмотреть в групповой рамке Результаты расчета реакций. Выберите селективную кнопку Баланс реакции для просмотра мольного баланса по всем компонентам. Для просмотра степени превращения, базового компонента, константы равновесия по всем реакциям выберите селективную кнопку Превращения. Для просмотра информации о конкретных реакциях вы можете использовать кнопку Реакции.

10.2.5 Закладка Расчет

На этой закладке расположены опции, которые используются как в стационарных, так и в динамических расчетах:

•Задание конфигурации и расчет размеров емкости

•Задание и расчет тепловых потерь

Операции разделения 10 - 15

•Задание уровней меток для наблюдения за относительными уровнями жидкостей.

•Учет вклада работы расширения.

•Задание и расчет модели уноса.

Для расчета Сепаратора в динамике должна быть задана следующая информация:

-Геометрия емкости

-Геометрия штуцеров

-Тепловые потери

Страница Размеры

На этой странице вы можете определить геометрию аппарата. Здесь же указывается, имеется ли отстойник. Если да, то задаются его размеры.

Геометрия емкости

В группе Геометрия задается объем и форма аппарата. Это важно для определения высоты жидкости в аппарате.

Имеется следующие варианты формы емкости:

Форма емкости	Описание
Плоский цилиндр	Можно выбрать вертикальный или горизонтальный
	цилиндр. Задайте либо общий объем, либо два из
	следующих параметров:
	•	Объем
	•	Диаметр
	•	Высота
	Если задан общий объем цилиндра, то соотношение
	высоты к диаметру по умолчанию принимается равным
	3:2.
Сферическая	Задайте либо общий объем, либо диаметр сферы.
Днища - эллипс	Цилиндрические емкости с эллипсоидальными днищами
	можно размещать только горизонтально. Задайте либо
	общий объем, либо три из следующих параметров:
	•	Объем
	•	Диаметр

10 - 16 Операции разделения

	•	Высота
	•	Высота крышки
	Если задан общий объем цилиндра, то соотношение
	высоты к диаметру по умолчанию принимается равным
	3:2.
	Если длина или диаметр аппарата заданы, то
	единственная переменная, которую можно задать, - это
	высота крышки.
Днища - полусфера	Цилиндрические емкости со сферическими днищами
	можно размещать только горизонтально. Задайте либо
	общий объем, либо три из следующих параметров:
	•	Объем
	•	Диаметр
	•	Высота
	Если задан общий объем цилиндра, то соотношение
	высоты к диаметру по умолчанию принимается равным
	3:2.

Высота жидкости в вертикальной цилиндрической емкости линейно зависит от объема жидкости. В сферической емкости и в горизонтальной цилиндре такой линейной зависимости нет

Перегородка

В горизонтальном сепараторе можно установить перегородку. Для этого нажмите кнопку Перегородка.

Здесь можно задать высоту перегородки и ее положение. Программа рассчитает уровень и количество содержимого в каждой камере.

Перегородка разделяет емкость на две части, называемые Камера_1 и Камера_2.Но сточки зрения расчета фазового равновесия имеется только одна жидкая фаза, поэтому составы жидкости и пара в обеих камерах одинаковые.

Операции разделения 10 - 17

Геометрия отстойника

Программа ХАЙСИС позволяет моделировать отстойник, который обычно организуется в том случае, когда имеется две жидкие фазы. Обычно тяжелая жидкость выводится через штуцер непосредственно из отстойника. А легкая жидкость выводится через другой выходной штуцер, связанный непосредственно с емкостью. Если в емкости имеется отстойник, укажите это, установив флажок в соответствующем поле. Высота отстойника по умолчанию принимается равной одной трети высоты емкости, а диаметр – одной трети диаметра емкости.

Появится групповая рамка Размеры отстойника.

Страница Штуцера

На этой странице задается информация о расположении и геометрии штуцеров.

Страница Штуцера становится доступной, если имеется на динамические расчеты.

Для динамических расчетов, в отличие от стационарных, расположение штуцеров имеет важное значение. Состав выходного потока зависит от расположения выходного штуцера и его диаметра.

•Если продуктовый штуцер расположен ниже уровня жидкости, то его состав соответствует жидкому содержимому емкости,

•Если штуцер расположен выше уровня жидкости – паровому.

10 - 18 Операции разделения

•Если уровень жидкости пересекает отверстие штуцера, то доля жидкости в продуктовом потоке меняется в зависимости от этого уровня.

По существу, все емкостные операции в ХАЙСИС работают в этом плане одинаково. Составы и доли фаз в продуктовых потоках зависят от расположения штуцеров. Поэтому из парового штуцера не обязательно выходит пар, а из жидкостных штуцеров трехфазного сепаратора – необязательно разные жидкости.

Страница Потери тепла

На этой странице можно указать, какую Модель потерь тепла Вы хотите использовать, а также указать параметры, относящиеся к каждой модели.

Имеется три модели тепловых потерь:

•Нет

•Простая

•Подробная

Простая модель

При использовании простой модели тепловые потери можно задать непосредственно, либо рассчитать из следующих параметров:

•Значение общего К

•Температура окружающей среды

Площадь теплопередачи, А, и температура потока, Tf, рассчитываются программой. Тепловые потери рассчитываются по уравнению:

Q =UA(Tf − Tокр_ ср )

(10.10)

Для сепаратора в простой модели тепловых потерь задаются следующие параметры:

Операции разделения 10 - 19

•Общий К теплопередачи

•Температура окружающей среды

•Общая поверхность теплопередачи

•Тепловая нагрузка

Величина тепловой нагрузки рассчитывается следующим образом:

	Тепл_ пот =UA(Tокр _ ср −T )	(10.11)
где	U – общий коэффициент теплопередачи

А – поверхность теплопередачи Токр_ср – температура окружающей среды Т – температура содержимого

Как показано выше тепловая нагрузка определяется как тепло, поступающее в емкость. Поверхность теплопередачи рассчитывается из геометрии аппарата. Значения температуры окружающей среды Токр_ср и общего коэффициента теплопередачи принимаются программой по умолчанию, выводятся красным цветом и могут быть изменены.

Подробная модель

При использовании этой модели параметры теплообмена можно задать более подробно. Не забудьте, что для использования этой опции должна быть активизирована лицензия HYSYS Fidelity. См. Раздел 1.6 – Fidelity в книге

Dynamic Modeling.

Страница Указатель уровня

Информация с этой страницы используется только в динамических расчетах.

Указатели уровня позволяют следить за изменением уровней жидких фаз, сосуществующих в емкости.

10 - 20 Операции разделения

Динамические спецификации указателя уровня

В группе Спецификации указателя уровня задаются границы в пределах высоты емкости, в которых будет отслеживаться уровень жидкости и при необходимости выбирается масштаб для соответствующей шкалы.

Кнопка Добавить

Чтобы задать указатель уровня для вертикальной или горизонтальной емкости нажмите кнопку Добавить и задайте следующие параметры:

	Поле	Описание
	Указатель уровня	Название
	Верхняя отметка	Верхняя граница наблюдения. Задается в единицах
		высоты.
	Нижняя отметка	Нижняя граница наблюдения. Задается в единицах
		высоты.
		Верхняя граница наблюдения в относительных единицах
	Верх (относ.)
	Ниж (относ.)	Нижняя граница наблюдения в относительных единицах

Относительные границы могут иметь отрицательные значения.

По умолчанию новый указатель уровня “охватывает” всю высоту емкости.

Все верхние границы не должны быть меньше или равны нижним (и наоборот). В противном случае расчет производиться не будет.

Рассчитанные уровни

Рассчитанные уровни жидких фаз выводятся в относительных единицах. Когда уровень содержимого превышает Верхнюю отметку, ХАЙСИС автоматически выводит значение верхней отметки в качестве уровня, когда уровень ниже нижней отметки – соответственно нижнюю.

Операции разделения 10 - 21

Страница Дополнительно

На этой странице можно задать вклад работы расширения. Эта величина выражается в процентах. Она примерно соответствует изоэнтропийному КПД. Чем выше это значение, тем ниже давление и температура. Обычно задается в пределах 87% - 98%.

Страница Унос, настройка

Информация на этой странице используется только в динамическом режиме.

На этой странице задаются параметры модели уноса в сепараторе. Под уносом понимается унос капель жидкости с паровым потоком и/или унос пузырьков пара с жидкой фазой. Явление в основном связано с неоднородностью потока на входе в сепаратор.

В ХАЙСИС можно моделировать эффект уноса, задавая величину уноса по отношению к потоку питания или к продуктовому потоку. Можно также рассчитать унос на основе геометрии сосуда.

Спомощью селективной кнопки можно выбрать тип расчета модели уноса:

•Нет

•По входу

•По продуктам

•Метод расчета

Внизу страницы расположены два флажка:

•Применить и для нулевых потоков. Если флажок отмечен, то унос легкой жидкости с газом, например, будет рассчитан, даже если расход газа равен 0.

•РН равновесия для выходных потоков. Если флажок отмечен,

фазовое равновесие выходных потоков будет рассчитываться по давлению и энтальпии. Этот вариант работает медленнее, но может быть полезен для избежания несоответствия, если расходы продуктов сильно различаются.

Эти два флажка доступны для вариантов По входу, По продуктам и Метод расчета.

10 - 22 Операции разделения

Вариант расчета По входу

Вы можете задать унос каждой фазы с каждым из продуктов в долях от питания.

Имеется шесть вариантов модели уноса в потоке питания и продуктовых потоках:

•Легкая жидкость в газе

•Тяжелая жидкость в газе

•Газ в легкой жидкости

•Тяжелая жидкости в легкой жидкости

•Газ в тяжелой жидкости

•Легкая жидкости в тяжелой жидкости

Термины “легкая жидкость” и “тяжелая жидкости” относятся к углеводородной смеси и воде соответственно. Программа не делает никаких предположений относительно действительных составов этих двух фаз.

Ненулевые значения в столбце Доли от питания указывают, что происходит унос. Например, в поле Легкая жидкость в газе стоит 0.1, это означает, что 10% мол. Легкой жидкости из питания попадут в паровой поток, покидающий сепаратор. Соответственно, доля пара парового продукта будет меньше 1.0.

Вариант расчета По продуктам

Можно задать унос в долях или расходах (выберите соответствующую селективную кнопку) по отношению к продуктовым потокам. Единицы выбираются из падающего списка:

•в долях –унос в продуктовых потоках задается в долях. Единицы выбираются из падающего списка.

•в расходах – унос в продуктовых потоках задается в единицах расхода. Единицы выбираются из падающего списка.

Если отмечен флажок Принять 0, если этой фазы нет в питании, то при отсутствии соответствующей фазы в питании, доля ее уноса будет принята равной 0, что позволит избежать расчетных ошибок.

Операции разделения 10 - 23

Имеется шесть вариантов модели уноса в потоке питания и продуктовых потоках:

•Легкая жидкость в газе

•Тяжелая жидкость в газе

•Газ в легкой жидкости

•Тяжелая жидкости в легкой жидкости

•Газ в тяжелой жидкости

•Легкая жидкости в тяжелой жидкости

Термины “легкая жидкость” и “тяжелая жидкости” относятся к углеводородной смеси и воде соответственно. Программа не делает никаких предположений относительно действительных составов этих двух фаз.

Если в столбце Доли в продукте указана величина 0.1 для легкой жидкости в газе, это означает, что паровой продукт, покидающий сепаратор, содержит 0.1 % мол. Легкой жидкости.

Если в расчете стационарного режима какая-то фаза в питании отсутствует,

установите флажок в поле Принять 0, если этой фазы нет в питании, что позволит программе свести расчет операции с учетом уноса.

В динамическом режиме этот флажок всегда автоматически включен.

Селективная кнопка Расчет

Этот вариант позволяет рассчитать ожидаемый унос, исходя из геометрии емкости, условий в питании и рабочих условий. Для расчета задается применяемый метод, размеры и геометрия емкости, метод расчета сопротивления и положение штуцеров.

Настройка расчета

В группе Настройка расчета выбирается метод расчета и то, каким образом он будет применяться.

10 - 24 Операции разделения

•Выбрав селективную кнопку Весь аппарат, можно использовать один тип расчета для всего аппарата,.

•Если же Вы хотите использовать различные методы расчета, используйте кнопку По элементам.

На следующем рисунке схематично приведена последовательность шагов расчета:

Операции разделения 10 - 25

Используются только те методы, которые необходимы для реализации выбранных вариантов расчета.

Например, если для расчета входных устройств используется общий расчет, а для расчета первичного разделения жидкость-жидкость и газ-жидкость используется ПроСепаратор, то введенные пользователем данные для расчета входа (разделения на входе и параметров Росина-Раммлера) будут использоваться для расчета дисперсии капель на входе. Расчеты первичного разделения ПроСепаратора будут затем выполняться на базе этой дисперсии. Поскольку расчеты первичного разделения ПроСепаратора не используются при расчете входных условий, никакие его входные настройки не принимаются во внимание. Аналогичным образом, если ПроСепаратор используется для расчетов первичного разделения, никакие критические размеры капель, заданные для общего расчета учитываться не будут.

Имеется три типа расчета: горизонтальный, общий, сепаратор. После выбора типа расчета нажмите кнопку Параметры, чтобы увидеть параметры выбранной модели.

•Общий

При выборе этого типа расчета программа проводит расчет общего типа распределения фаз в потоке питания и критериев разделения. Это расчет общего характера, который не зависит от геометрии емкости, ее размеров и нагрузки.

Для расчета потока на входе необходимо задать долю каждой фазы питания в каждой другой фазе. Необходимо также задать максимальный размер капель и коэффициент Росина-Раммлера для каждого распределения. В результате расчета получаем количество каждой фазы, приходящееся на каждый диапазон размеров капель.

Этот тип расчета может быт использован для моделирования разделения сред, содержащих легкую жидкость, тяжелую жидкость и газовую фазу. Для всех видов разделения необходимо задать критический размер капель. Капли, диаметр которых меньше критического, будут унесены, а капли, диаметр которых больше критического будут отобраны с основной фазой.

•Горизонтальный сосуд

Вариант расчета усовершенствован для горизонтальных трехфазных сепараторов.

Для расчета входа этот вариант использует расчет шести типов распределения в соответствии с заданной пользователем эффективностью отбойного устройства на входе, а также долей уноса, определенных пользователем (расположены в группе Коэф.

распределения на входе на странице Общие закладки Настройка).

Распределение капель диспергированных фаз затем рассчитывается с помощью уравнений Росина-Раммлера как и в варианте Общий.

Параметр d95 распределения жидкость-жидкость (другими словами тяжелая жидкость в легкой жидкости и легкая жидкость в тяжелой жидкости) не задается, а рассчитывается на основе значения d95 входной капли и плотностей двух жидких фаз.

Первичное разделение газ-жидкость рассчитывается из заданных скоростей обеих жидкостей, размера капли в газовой фазе и заданного времени пребывания газа в емкости. Капля будет унесена, если времени пребывания недостаточно для того, чтобы капля достигла поверхности “своей” фазы.

10 - 26 Операции разделения

Первичное разделение жидкость-жидкость также рассчитывается на основе заданных скоростей капель жидкости и газа в жидкой фазе и времени пребывания каждой жидкой фазы. Скорости осаждения рассчитываются с использованием уравнений GPSA для всех разделений за исключением скорости осаждения воды в нефти, где скорость седиментации рассчитывается по методу Barnea&Mizrahi. Для расчета вязкостей жидких фаз используется заданная пользователем величина инверсии жидких фаз. Кроме того, используется коэффициент времени пребывания жидкости. Капля будет унесена, если времени пребывания недостаточно для того, чтобы капля достигла поверхности “своей” фазы.

Вторичное разделение рассчитывается для газовой фазы и определяется критическим размером капель. Для расчета размеров вторичного устройства используется коэффициент газовой нагрузки для каждого типа устройств.

•ПроСепаратор

Этот метод достаточно точный, но рассчитывает только отделение жидкости от газовой фазы. Не рассчитывается разделение жидкостьжидкость и отделение газа от жидкости. Этот тип расчета включает первичное разделение за счет гравитационного эффекта и вторичное разделение за счет специальных устройств (mesh pad и vane pack) .В этом алгоритме используются два отдельных уравнения для варианта mesh pad и два отдельных уравнения для варианта vane pack.

При расчете входа модель рассчитывает максимальный и минимальный размеры капель исходя из условий на входе (расход газа и физические свойства фаз) и размера входного штуцера. Затем рассчитываются распределение капель легкой и тяжелой жидкости во входящем газе по уравнению Росина-Раммлера.

ПроСепаратора эффективно рассчитывает свои собственные параметры Росина-Раммлера (диаметры капель) и не требует задания этих параметров. Единственное, что может сделать пользователь – ограничить количество рассчитываемой диспергированной фазы.

Первичное разделение газ-жидкость основано на критических размерах капель, которые не задаются пользователем, а рассчитываются исходя из скорости газа в емкости.

Вторичное разделение газ-жидкость, определяемое выходным устройством, рассчитывается по специальным методикам. Тип устройства выбирает пользователь. Для каждого типа возможны два варианта расчета.

Рассчитывается первичное и вторичное разделение, унос легкой и тяжелой жидкости. Общий унос рассчитывается сложением полученных величин.

Операции разделения 10 - 27

Задание размеров

В группе Размеры задается ориентация и размеры емкости. Можно также задать уровни легкой и тяжелой жидкости. Имеется возможность моделировать горизонтальную емкость с перегородкой или отстойником.

DP/Штуцера

В групповой рамке Сопротивление/Штуцера задается метод расчета гидравлического сопротивления и размеры штуцеров.

10 - 28 Операции разделения

Поскольку динамическое давление и динамическое сопротивление потока питания и емкости задаются на странице Спецификация закладки Динамика, таблица Сопротивление не доступна при работе в динамическом режиме.

Втаблице Сопротивление после того, как выбран метод расчета, его можно активизировать, установив флажок в соответствующее поле. Для просмотра подробностей нажмите кнопку Параметры.

Втаблице Диаметр/положение штуцеров задается геометрия всех штуцеров емкости.

Если для расчета модели уноса выбран вариант Расчет, то:

•Параметры на странице DP/Штуцера могут использоваться для расчета сопротивления входных и выходных штуцеров.

•Вместо них могут использоваться параметры, заданные пользователем на странице Параметры закладки Данные.

Страница Унос, результаты

На этой странице представлены результаты расчета уноса на основании данных, заданных на странице Унос, настройка. Выводится четыре столбца:

•Доля от питания

•Доля от продукта

•Расход

•Унос

Информация на этой странице доступна и в динамическом режиме.

При этом Вы можете выбрать, в каких единицах (мольных, массовых или объемных) выводится расход уносимых фаз.

Для просмотра результатов расчета дисперсии воспользуйтесь кнопкой

Расчет дисперсии.

Воткрывшемся окне имеется две закладки:

•Таблицы. Представлены результаты расчета дисперсии для выбранной фазы в выбранной точке сосуда. Фазу выберите с помощью соответствующей селективной кнопки. Из падающего списка выберите нужные единицы.